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        自制激光干涉儀測彈性模量

        2013-12-01 01:54:34肖鵬程鄧永菊張躍杰
        物理實(shí)驗(yàn) 2013年1期
        關(guān)鍵詞:金屬絲楊氏模量條紋

        肖鵬程,鄧永菊,岳 明,黃 靚,張躍杰,戴 偉,2

        (1.湖北第二師范學(xué)院 物理與電子信息學(xué)院,湖北 武漢430205;2.中國科學(xué)院 武漢物理與數(shù)學(xué)研究所,湖北 武漢430071)

        1 引 言

        彈性模量的測定對研究金屬材料[1]、光纖材料[2]、半導(dǎo)體[3]、納米材料[4]、聚合物[5]、陶瓷[6]、橡膠等材料的力學(xué)性質(zhì)有著重要意義.同時(shí),彈性模量作為衡量材料彈性變形難易程度的關(guān)鍵指標(biāo),是選定機(jī)械零件材料的主要依據(jù)之一,也是工程技術(shù)設(shè)計(jì)中常用的參量.彈性模量的研究引起國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)注:2008年,以色列的Rafael M.Digilov應(yīng)用壓力傳感器設(shè)計(jì)了快速測定彈性模量的實(shí)驗(yàn)方法[7];2009年,韓國的Lee S.J.等利用可視圖像追蹤系統(tǒng)研究了金膜的彈性模量[8];同年,法國的Thome等人應(yīng)用原子力顯微鏡研究了硅涂層的彈性模量[9],以上的研究都是借助精密的儀器完成.相對而言,國內(nèi)的研究者更多的是借助大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)平臺,開展彈性模量的測量工作,2002年,空軍第一航空學(xué)院的黃宜軍等用線陣CCD光電傳感器作為接收器,設(shè)計(jì)了楊氏彈性模量自動(dòng)測量系統(tǒng)[10];同年,電子科技大學(xué)的嚴(yán)一民根據(jù)霍爾器件能構(gòu)成均勻的腔體磁場,提出了用磁感應(yīng)法測量金屬絲彈性模量的方法[11],該方法對實(shí)驗(yàn)儀器的更新和設(shè)計(jì)方面起到一定的指導(dǎo)作用;2006年,重慶交通學(xué)院的胡成華將半導(dǎo)體激光器做成激光杠桿,設(shè)計(jì)了拉伸法測定楊氏彈性模量的實(shí)驗(yàn)方法[12],有效改善了測量結(jié)果的精度;2011年,彭濤等應(yīng)用電橋法測量了鋼絲的彈性模量[13],其難點(diǎn)在于如何設(shè)計(jì)交流電橋測量微小電容的改變量.

        本文整合了大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)有限的教學(xué)資源,應(yīng)用激光干涉法設(shè)計(jì)了測量金屬絲彈性模量的實(shí)驗(yàn)方法,實(shí)驗(yàn)裝置結(jié)構(gòu)簡單,測量精度較高.

        2 測量原理及裝置

        在外力作用下,物體發(fā)生形變的同時(shí),物體內(nèi)各相鄰部分的材料之間引起相互作用的內(nèi)力,對彈性介質(zhì)而言,這種內(nèi)力便是彈性力.根據(jù)胡克定律,在彈性限度內(nèi),金屬絲的單位橫截面積上所受拉力與單位長度的伸長量正比,

        其比例系數(shù)E稱為金屬絲的楊氏彈性模量.其中F,L及S都是可以測定的量,而ΔL是微小的伸長量,用通常的方法很難準(zhǔn)確測量.在大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)中,一般是使用由望遠(yuǎn)鏡、反射鏡、標(biāo)尺、支架等組成的光杠桿系統(tǒng)對微小長度進(jìn)行放大測量,鑒于學(xué)生對光杠桿的準(zhǔn)確調(diào)節(jié)難以把握,本文分別應(yīng)用變電容方法和激光干涉法改進(jìn)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)彈性模量的測量裝置.改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)裝置操作簡單,使用方便,結(jié)果可靠,實(shí)現(xiàn)了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集的自動(dòng)控制.

        2.1 物理原理及裝置結(jié)構(gòu)

        激光干涉法精確測量彈性模量的裝置原理及裝置結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示.

        圖1 激光干涉法精確測定彈性模量原理圖

        圖2 激光干涉法測彈性模量實(shí)驗(yàn)裝置圖

        激光由激光器發(fā)出經(jīng)擴(kuò)束器擴(kuò)束后經(jīng)分束鏡分成2束,一束經(jīng)補(bǔ)償玻璃片到固定平面鏡反射回來,另一束到可動(dòng)平面鏡再反射回來,以上2束光最終在光電傳感器處產(chǎn)生干涉條紋[14].其中可動(dòng)平面鏡與測彈性模量的碳鋼絲相連,碳鋼絲在外力的作用下有微小伸長量ΔL,ΔL的2倍即為該路光線光程差的改變量,可以通過干涉條紋數(shù)的變化,來確定碳鋼絲的形變量ΔL=N.條紋數(shù)通過光電二極管進(jìn)行檢測,輸出的數(shù)字信號由單片機(jī)檢測、處理和顯示.彈性模量和條紋數(shù)變化的關(guān)系為:

        其中,λ為激光光源的波長,N為干涉條紋移動(dòng)的數(shù)目,F(xiàn)為施加在碳鋼絲上的拉力(由壓力傳感器直接測出),L為碳鋼絲長度,d為碳鋼絲直徑.

        2.2 測控部分及原理

        測控部分及原理如圖3所示,光電傳感器檢測到條紋的明暗交替變化將其轉(zhuǎn)換為電信號,經(jīng)過單片機(jī)(STC12C5A60S2)進(jìn)行高速AD轉(zhuǎn)換,再利用單片機(jī)對數(shù)字信號進(jìn)行處理得到條紋的移動(dòng)條數(shù),并由NOAIA5110液晶進(jìn)行顯示.同時(shí)添加了溫度傳感器(DS18B20)對實(shí)驗(yàn)環(huán)境的溫度變化進(jìn)行監(jiān)測,用來修正壓力傳感器的零點(diǎn)漂移,提高碳鋼絲上的拉力測量精度,方便實(shí)驗(yàn)環(huán)境的記錄,如圖4所示.

        圖3 光電檢測部分原理圖

        圖4 壓力傳感器模塊

        由于采用注水的方法來連續(xù)改變施加在碳鋼絲上的拉力,所以加入了自行改裝的壓力傳感器對碳鋼絲上的壓力進(jìn)行測量,這樣可以增加測量彈性模量時(shí)的采樣點(diǎn),提高實(shí)驗(yàn)精度.獲得的干涉條紋如圖5所示.

        圖5 實(shí)驗(yàn)過程中獲得的干涉條紋

        3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與誤差分析

        實(shí)驗(yàn)中碳鋼絲直徑d=(0.9±0.006)mm,碳鋼絲長度L=(69.5±0.05)cm,He-Ne光源的中心波長為λ=632.8nm,測得數(shù)據(jù)如表1所示.

        表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

        將表1中數(shù)據(jù)代入式(1)得E=171.9GPa.忽略壓力測量帶來的誤差,測量結(jié)果的相對不確定度為1.66%,由此得

        測量值在碳鋼絲的彈性模量標(biāo)稱值160.25~178.30GPa范圍內(nèi),說明本實(shí)驗(yàn)方案切實(shí)可行.

        4 結(jié)束語

        本文充分利用大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)平臺,在資源有限的條件下,提出了彈性模量測定的改進(jìn)方法.通過創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì),激發(fā)學(xué)生的創(chuàng)新思維,通過多個(gè)大學(xué)物理實(shí)驗(yàn)思想的交叉融合,鍛煉提高學(xué)生的創(chuàng)新能力[15].

        [1]劉培生.三維網(wǎng)狀泡沫金屬楊氏模量和泊松比的數(shù)理表征[J].稀有金屬材料與工程,2009,38(z3):240-244.

        [2]文慶珍,苑秉成,黃俊斌.封裝聚合物對光纖光柵壓力傳感增敏的影響[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào)(理學(xué)版),2005,51(5):571-573.

        [3]許福軍,沈波,王茂俊,等.高Al組分AlxGa1-xN薄膜的彈性-塑性力學(xué)性質(zhì)[J].半導(dǎo)體學(xué)報(bào),2007,28(10):1551-1554.

        [4]邢冬梅,李鴻琦,李林安.納米材料楊氏模量及延伸率與微觀結(jié)構(gòu)的關(guān)系[J].天津大學(xué)學(xué)報(bào),2000,33(2):265-269.

        [5]何智兵,陽志林,閆建成,等.不同參數(shù)對GDP薄膜的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能的影響[J].原子能科學(xué)技術(shù),2010,44(8):989-994.

        [6]尹邦躍,王零森.熱壓燒結(jié)B4C陶瓷的物理性能研究[J].原子能科學(xué)技術(shù),2004,38(5):429-431.

        [7]Digilov R M.Flexural vibration test of a cantilever beam with a force sensor:fast determination of Young’s modulus[J].European Journal of Physics,2008,29(3):589-597.

        [8]Lee S J,Han S W,Hyun S M,et al.Measurement of Young’s modulus and Poisson’s ratio for thin Au films using a visual image tracing system [J].Current Applied Physics,2009,9:S75-S78.

        [9]Thome T,F(xiàn)ouchez S,Delalande S.Determination of silicone coating Young’s modulus using atomic force microscopy[J].Physica B:Condensed Matter,2009,404(1):22-25.

        [10]黃宜軍,曾憲林.自動(dòng)測量楊氏彈性模量的研究[J].激光與紅外,2002,32(4):274-275.

        [11]嚴(yán)一民.用磁感應(yīng)法測量金屬絲楊氏模量的方法[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2002,31(4):429-433.

        [12]胡成華,周平.利用激光杠桿測定楊氏彈性模量[J].大學(xué)物理,2006,25(3):44-45.

        [13]彭濤,王新春,王宇,等.電橋法測楊氏模量的實(shí)驗(yàn)研究[J].大學(xué)物理實(shí)驗(yàn),2011,24(1):51-53.

        [14]黃婉華,程敏熙,陳映純.利用平面平晶反射干涉制作低頻全息光柵[J].物理實(shí)驗(yàn),2012,32(4):40-42.

        [15]騰道祥.光纖傳感器的基本工作原理及制作[J].物理實(shí)驗(yàn),2010,30(8):36-38.

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